(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１圧縮手段、中間冷却器、第２圧縮手段、放熱器、第１絞り手段、レシーバタンク、第２絞り手段、蒸発器を順次接続して閉回路を形成し、前記レシーバタンクから前記第２圧縮手段の吸入部へと冷媒を流すバイパス経路を備えた冷凍装置において、
前記レシーバタンクに流入する冷媒における気相冷媒と液相冷媒の和である全体量に対する気相冷媒の質量比率を第１制御変数とし、前記レシーバタンクに流入する冷媒量に対する前記バイパス経路を流れる冷媒量の質量比率を第２制御変数とし、前記レシーバタンク内の気液分離が不完全な状態では前記第１制御変数と前記第２制御変数との差が所定の範囲内になるように前記第１絞り手段の開度を制御する第１制御装置を設けたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記第２圧縮手段で圧縮され第１絞り手段に流入する冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出器と、前記第１絞り手段で減圧され前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の圧力を検出する中圧圧力検出器と、前記放熱器を出て前記第１絞り手段に流入する冷媒の温度を検出する膨張前温度検出器と、前記中間冷却器を流出した後前記バイパス経路を流れる冷媒と合流する前の冷媒の温度を検出する合流前温度検出器と、前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出器とを備え、
前記第１制御装置は、前記高圧圧力検出器及び前記中圧圧力検出器で検出された圧力と前記膨張前温度検出器で検出された温度とから前記第１制御変数を算出し、前記中圧圧力検出器で検出された圧力と前記合流前温度検出器及び前記吸入温度検出器で検出された温度とから前記第２制御変数を算出することを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記第２圧縮手段で圧縮され第１絞り手段に流入する冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出器と、前記第１絞り手段で減圧された後の冷媒の温度を検出する中圧温度検出器と、前記放熱器を出て前記第１絞り手段に流入する冷媒の温度を検出する膨張前温度検出器と、前記中間冷却器を流出した後前記バイパス経路を流れる冷媒と合流する前の冷媒の温度を検出する合流前温度検出器と、前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出器とを備え、
前記第１制御装置は、前記高圧圧力検出器で検出された圧力と前記中圧温度検出器及び前記膨張前温度検出器で検出された温度とから前記第１制御変数を算出し、前記中圧温度検
出器と前記合流前温度検出器と前記吸入温度検出器で検出された温度とから前記第２制御変数を算出することを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記第１制御変数が前記第２制御変数よりも所定の範囲を超えて大きい場合に前記第１絞り手段の開度を大きくすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記蒸発器に流入する冷媒又は前記蒸発器内の冷媒の温度を検出する蒸発温度検出器と、前記蒸発器から流出する冷媒の温度を検出する蒸発器出口温度検出器とを備え、
前記第１制御装置は、前記蒸発器出口温度検出器と蒸発温度検出器で検出される温度の差が所定の目標温度差になるように前記第２絞り手段の開度を制御すると共に、前記第１制御変数が前記第２制御変数よりも所定の範囲を超えて大きい場合に前記目標温度差を大きくすることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の冷凍装置。
【請求項６】
第２絞り手段、蒸発器を具備する蒸発ユニットとユニット間配管で接続されて冷凍装置を構成する冷凍ユニットにおいて、
この冷凍ユニットには、第１圧縮手段、中間冷却器、第２圧縮手段、放熱器、第１絞り手段、レシーバタンク、及び該レシーバタンクと前記第２圧縮手段の吸入部とを接続するバイパス経路を具備し、前記レシーバタンクに流入する冷媒における気相冷媒と液相冷媒の和である全体量に対する気相冷媒の質量比率を第１制御変数とし、前記レシーバタンクに流入する冷媒量に対する前記バイパス経路を流れる冷媒量の質量比率を第２制御変数とし、前記レシーバタンク内の気液分離が不完全な状態では前記第１制御変数と前記第２制御変数との差が所定の範囲内になるように前記第１絞り手段の開度を制御する第１制御装置を設けたことを特徴とする冷凍ユニット。
【請求項７】
前記第２圧縮手段で圧縮され第１絞り手段に流入する冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出器と、前記第１絞り手段で減圧され前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の圧力を検出する中圧圧力検出器と、前記放熱器を出て前記第１絞り手段に流入する冷媒の温度を検出する膨張前温度検出器と、前記中間冷却器を流出した後前記バイパス経路を流れる冷媒と合流する前の冷媒の温度を検出する合流前温度検出器と、前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出器とを備え、
前記第１制御装置は、前記高圧圧力検出器及び前記中圧圧力検出器で検出された圧力と前記膨張前温度検出器で検出された温度とから前記第１制御変数を算出し、前記中圧圧力検出器で検出された圧力と前記合流前温度検出器及び前記吸入温度検出器で検出された温度とから前記第２制御変数を算出することを特徴とする請求項６記載の冷凍ユニット。
【請求項８】
前記第２圧縮手段で圧縮され第１絞り手段に流入する冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出器と、前記第１絞り手段で減圧された後の冷媒の温度を検出する中圧温度検出器と、前記放熱器を出て前記第１絞り手段に流入する冷媒の温度を検出する膨張前温度検出器と、前記中間冷却器を流出した後前記バイパス経路を流れる冷媒と合流する前の冷媒の温度を検出する合流前温度検出器と、前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出器とを備え、
前記第１制御装置は、前記高圧圧力検出器で検出された圧力と前記中圧温度検出器及び前記膨張前温度検出器で検出された温度とから前記第１制御変数を算出し、前記中圧温度検出器と前記合流前温度検出器と前記吸入温度検出器で検出された温度とから前記第２制御変数を算出することを特徴とする請求項６記載の冷凍ユニット。
【請求項９】
前記第１制御変数が前記第２制御変数よりも所定の範囲を超えて大きい場合に前記第１絞り手段の開度を大きくすることを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れか一項記載の冷凍ユニット。
【請求項１０】
前記第１制御装置は、前記蒸発器から流出する冷媒の温度と前記蒸発器に流入する冷媒又は前記蒸発器内の冷媒の温度との差である目標温度差の信号を前記蒸発ユニットに設けられた第２制御装置に送ることを特徴とする請求項６乃至請求項９の何れか一項記載の冷凍ユニット。
【請求項１１】
前記第１制御装置は、前記第１制御変数が前記第２制御変数よりも所定の範囲を超えて大きい場合に前記目標温度差を大きくすることを特徴とする請求項６乃至請求項１０の何れか一項記載の冷凍ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍、空調等に用いられる蒸気圧縮式の冷凍装置及びこの冷凍装置を構成する冷凍ユニットに関し、更に詳しくは、二段圧縮二段膨張式の冷凍装置及びこの冷凍装置を構成する冷凍ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、放熱器、第１絞り手段、レシーバタンク、第２絞り手段、蒸発器を備え、放熱器を出た冷媒を第１絞り手段により蒸発圧力よりも高い中間圧力まで減圧し、レシーバタンク内で気液分離した後、気相の冷媒を圧縮機の圧縮工程の途中に導入し、液相の冷媒を更に第２絞り手段により蒸発圧力まで減圧して蒸発器へと流す、所謂二段圧縮二段膨張式の冷凍装置が従来より知られている（例えば、特許文献１）。この種の冷凍装置では、レシーバタンク内で分離された気相冷媒を蒸発圧力まで減圧させずに中間圧力のまま圧縮機の中間圧力部へと戻すため、冷却に寄与しない前記気相冷媒を蒸発圧力から中間圧力まで圧縮するための動力が不要となり、また、蒸発器の圧力損失も低減できるので、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１４４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の二段圧縮二段膨張冷凍サイクルでは、第１絞り手段で減圧された後の中間圧力の冷媒、即ちレシーバタンク内の冷媒の状態によって、蒸発器へと流れる冷媒の量やエンタルピが変化する。そのため、前記中間圧力の冷媒の状態を適切にコントロールすることが重要である。冷凍効率を高めるためには、例えば、中間圧部の圧力や温度を検出し、それらの検出値が好適な範囲内となるように運転制御を行うことなどが必要となる。併せて、レシーバタンク内における気相冷媒と液相冷媒の分離効率を高めることが求められ、理想的には完全なる気液分離が望ましい。
【０００５】
しかしながら、実際の冷凍装置においては、レシーバタンクの大きさが制限されることから、完全なる気液分離は困難である。運転条件によっては、液相冷媒に気相冷媒が混入して蒸発器側へと流れることがある。このように液相冷媒に気相冷媒が混入すると、冷凍効果を発揮しない気相冷媒が蒸発器などの低圧側回路内を流れるため、蒸発器での圧力損失が増大し、更に、圧縮機において蒸発圧力から中間圧力まで冷媒を圧縮するための動力が必要となってくる。そのため、たとえ前述のように中間圧部の圧力や温度を所定の範囲内に制御していたとしても、冷凍装置の効率が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、周囲条件や冷却負荷の変動に対応して高効率で安定した運転をすることが可能な冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１発明の冷凍装置は、第１圧縮手段、中間冷却器、第２圧縮手段、放熱器、第１絞り手段、レシーバタンク、第２絞り手段、蒸発器を順次接続して閉回路を形成し、前記レシーバタンクから前記第２圧縮手段の吸入部へと冷媒を流すバイパス経路を備えた冷凍装置において、前記レシーバタンクに流入する冷媒における気相冷媒と液相冷媒の和である全体量に対する気相冷媒の質量比率を第１制御変数とし、前記レシーバタンクに流入する冷媒量に対する前記バイパス経路を流れる冷媒量の質量比率を第２制御変数とし、前記レシーバタンク内の気液分離が不完全な状態では前記第１制御変数と前記第２制御変数との差が所定の範囲内になるように前記第１絞り手段の開度を制御する第１制御装置を設けたことを特徴とする冷凍装置を設けたことを特徴とする。
【０００８】
第２発明の冷凍装置は、第１発明において、前記第２圧縮手段で圧縮され第１絞り手段に流入する冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出器と、前記第１絞り手段で減圧され前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の圧力を検出する中圧圧力検出器と、前記放熱器を出て前記第１絞り手段に流入する冷媒の温度を検出する膨張前温度検出器と、前記中間冷却器を流出した後前記バイパス経路を流れる冷媒と合流する前の冷媒の温度を検出する合流前温度検出器と、前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出器とを備え、前記第１制御装置は、前記高圧圧力検出器及び前記中圧圧力検出器で検出された圧力と前記膨張前温度検出器で検出された温度とから前記第１制御変数を算出し、前記中圧圧力検出器で検出された圧力と前記合流前温度検出器及び前記吸入温度検出器で検出された温度とから前記第２制御変数を算出することを特徴とする。
【０００９】
第３発明の冷凍装置は、第１発明において、前記第２圧縮手段で圧縮され第１絞り手段に流入する冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出器と、前記第１絞り手段で減圧された後の冷媒の温度を検出する中圧温度検出器と、前記放熱器を出て前記第１絞り手段に流入する冷媒の温度を検出する膨張前温度検出器と、前記中間冷却器を流出した後前記バイパス経路を流れる冷媒と合流する前の冷媒の温度を検出する合流前温度検出器と、前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出器とを備え、前記第１制御装置は、前記高圧圧力検出器で検出された圧力と前記中圧温度検出器及び前記膨張前温度検出器で検出された温度とから前記第１制御変数を算出し、前記中圧温度検出器と前記合流前温度検出器と前記吸入温度検出器で検出された温度とから前記第２制御変数を算出することを特徴とする。
【００１０】
第４発明の冷凍装置は、第１発明乃至第３発明の何れかにおいて、前記第１制御変数が前記第２制御変数よりも所定の範囲を超えて大きい場合に前記第１絞り手段の開度を大きくすることを特徴とする。
【００１１】
第５発明の冷凍装置は、第１発明乃至第４発明の何れかにおいて、前記蒸発器に流入する冷媒又は前記蒸発器内の冷媒の温度を検出する蒸発温度検出器と、前記蒸発器から流出する冷媒の温度を検出する蒸発器出口温度検出器とを備え、前記第１制御装置は、前記蒸発器出口温度検出器と蒸発温度検出器で検出される温度の差が所定の目標温度差になるように前記第２絞り手段の開度を制御すると共に、前記第１制御変数が前記第２制御変数よりも所定の範囲を超えて大きい場合に前記目標温度差を大きくすることを特徴とする。
【００１２】
第６発明の冷凍ユニットは、第２絞り手段、蒸発器を具備する蒸発ユニットとユニット間
配管で接続されて冷凍装置を構成する冷凍ユニットにおいて、この冷凍ユニットには、第１圧縮手段、中間冷却器、第２圧縮手段、放熱器、第１絞り手段、レシーバタンク、及び該レシーバタンクと前記第２圧縮手段の吸入部とを接続するバイパス経路を具備し、前記レシーバタンクに流入する冷媒における気相冷媒と液相冷媒の和である全体量に対する気相冷媒の質量比率を第１制御変数とし、前記レシーバタンクに流入する冷媒量に対する前記バイパス経路を流れる冷媒量の質量比率を第２制御変数とし、前記レシーバタンク内の気液分離が不完全な状態では前記第１制御変数と前記第２制御変数との差が所定の範囲内になるように前記第１絞り手段の開度を制御する第１制御装置を設けたことを特徴とする。
【００１３】
第７発明の冷凍ユニットは、第６発明において、前記第２圧縮手段で圧縮され第１絞り手段に流入する冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出器と、前記第１絞り手段で減圧され前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の圧力を検出する中圧圧力検出器と、前記放熱器を出て前記第１絞り手段に流入する冷媒の温度を検出する膨張前温度検出器と、前記中間冷却器を流出した後前記バイパス経路を流れる冷媒と合流する前の冷媒の温度を検出する合流前温度検出器と、前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出器とを備え、
前記第１制御装置は、前記高圧圧力検出器及び前記中圧圧力検出器で検出された圧力と前記膨張前温度検出器で検出された温度とから前記第１制御変数を算出し、前記中圧圧力検出器で検出された圧力と前記合流前温度検出器及び前記吸入温度検出器で検出された温度とから前記第２制御変数を算出することを特徴とする。
【００１４】
第８発明の冷凍ユニットは、第６発明において、前記第２圧縮手段で圧縮され第１絞り手段に流入する冷媒の圧力を検出する高圧圧力検出器と、前記第１絞り手段で減圧された後の冷媒の温度を検出する中圧温度検出器と、前記放熱器を出て前記第１絞り手段に流入する冷媒の温度を検出する膨張前温度検出器と、前記中間冷却器を流出した後前記バイパス経路を流れる冷媒と合流する前の冷媒の温度を検出する合流前温度検出器と、前記第２圧縮手段に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度検出器とを備え、
前記第１制御装置は、前記高圧圧力検出器で検出された圧力と前記中圧温度検出器及び前記膨張前温度検出器で検出された温度とから前記第１制御変数を算出し、前記中圧温度検出器と前記合流前温度検出器と前記吸入温度検出器で検出された温度とから前記第２制御変数を算出することを特徴とする。
【００１５】
第９発明に冷凍ユニットは、第６発明乃至第８発明の何れかにおいて、前記第１制御変数が前記第２制御変数よりも所定の範囲を超えて大きい場合に前記第１絞り手段の開度を大きくすることを特徴とする。
【００１６】
第１０発明の冷凍ユニットは、第６発明乃至第９発明の何れかにおいて、前記第１制御装置は、前記蒸発器から流出する冷媒の温度と前記蒸発器に流入する冷媒又は前記蒸発器内の冷媒の温度との差である目標温度差の信号を前記蒸発ユニットに設けられた第２制御装置に送ることを特徴とする。
【００１７】
第１１発明の冷凍ユニットは、第６発明乃至第１０発明の何れかにおいて、前記第１制御装置は、前記第１制御変数が前記第２制御変数よりも所定の範囲を超えて大きい場合に前記目標温度差を大きくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
第１発明の冷凍装置、及び第６発明の冷凍ユニットによれば、前記レシーバタンクにおける気液分離が不完全な状態になることを防止し、蒸発器側へ流れる液冷媒に冷却に寄与しない蒸気冷媒が混入することを回避できる。そのため、周囲温度や冷却負荷が変動した場合であっても、冷凍サイクルの冷却効率が著しく低下することを防止し、好適な冷凍サイクルの状態を維持することが可能となり、冷凍装置の冷却性能を向上させることができる。
【００１９】
第２発明の冷凍装置、及び第７発明の冷凍ユニットによれば、運転条件の変動に応じて、レシーバタンクにおける気液分離の状態を的確に把握することができる。そのため、冷凍サイクルの中間圧力部の状態を適切に制御することが可能となる。
【００２０】
第３発明の冷凍装置、及び第８発明の冷凍ユニットによれば、より安全かつ容易に、冷凍サイクルの中間圧力部の状態を把握することが可能となる。
【００２１】
第４発明の冷凍装置、及び第９発明の冷凍ユニットによれば、冷凍サイクル回路の低圧側に冷却に寄与しない気相冷媒が混入して流れることを回避し、冷凍装置の冷却性能が低下することを防止できる。
【００２２】
第５発明の冷凍装置、及び第１０、１１発明の冷凍ユニットによれば、冷凍サイクル回路の低圧側に冷却に寄与しない気相冷媒が混入した際に、レシーバタンク内の冷媒量を増加させ、第２絞り手段へと流れる液冷媒に蒸気冷媒が混入することを防止することができる。そのため、外気温度や負荷条件が変動した場合であっても、冷凍装置の冷却効率の著しい低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレシーバタンクの断面図である。
【図３】本発明の冷凍サイクルを示した圧力・エンタルピ線図である。
【図４】本発明の実施形態に係る冷凍装置の制御ブロック図である。
【図５】本発明の冷凍サイクルを示した圧力・エンタルピ線図である。
【図６】本発明の冷凍サイクルを示した圧力・エンタルピ線図である。
【図７】本発明の実施形態おける冷凍装置の制御フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係る冷凍装置を図面に基づき詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置の概略構成図である。本実施形態に係る冷凍装置では、第１圧縮手段としての一段目圧縮要素１ａと第２圧縮手段としての二段目圧縮要素１ｂを備えた二段圧縮式の圧縮機１を採用している。そして、本実施形態に係る冷凍サイクル回路は、圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂの吐出部、放熱器２、第１絞り手段としての膨張弁３、レシーバタンク４、ストレーナ９、第２絞り手段としての膨張弁５、蒸発器６、及びアキュームレータ８を順番に冷媒が流通し、圧縮機１の一段目圧縮要素１ａの吸入部に戻る閉回路を形成するよう冷媒配管で接続され構成されている。更に、本冷凍サイクル回路は、圧縮機１の一段目圧縮要素１ａの吐出部から吐出された冷媒を流す配管２８、中間冷却器７及び配管３１を順番に冷媒が流通して圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂの吸入部へと戻る冷媒回路を備える。そして更に、本冷凍サイクル回路は、レシーバタンク４と配管３１を接続する冷媒配管２９を備えている。前記配管３１及び配管２９は、レシーバタンク４内の気相冷媒を前記圧縮機１の圧縮行程の途中に吸入させるバイパス経路として機能する。そして、本冷凍装置では、冷媒として二酸化炭素（Ｒ７４４）を用いている。
【００２６】
圧縮機１は、低圧の冷媒を高圧の状態に圧縮するためのものである。本実施形態に係る冷凍装置では、冷媒として二酸化炭素を用いているので、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力は臨界圧力を超える場合がある。圧縮機１は、一段目圧縮要素１ａ、即ち低圧側圧縮要素と、二段目圧縮要素１ｂ、即ち高圧側圧縮要素とを備える、ロータリー式の二段圧縮式である。二段圧縮式とすることで、各段の圧縮要素の圧力比を小さくすることができ、高効率に冷媒を高圧力まで圧縮できるという利点を有する。また、一段目圧縮要素１ａと二段目圧縮要素１ｂの間に冷媒吸入部を設けることにより、レシーバタンク４で分離された気相冷媒を圧縮工程の途中に吸入させる冷凍サイクルを容易に構成することができる。尚、圧縮機１としては、他の公知の圧縮機、例えば、スクロール式や往復式、スクリュー式等の圧縮機を用いることができる。
【００２７】
更に、圧縮機１を２台以上設けることが可能で、そのことにより冷却負荷に応じた容量制御（台数制御）を行うことが可能となる。また、本実施形態に係る圧縮機１はインバータ駆動方式であるが、定速式も採用可能である。インバータ駆動方式では、冷却負荷に応じて圧縮機の回転数を変更することが可能となり、圧縮機の発停を繰り返す定速式圧縮機の台数制御に比べて高効率な運転が可能となる。また、圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂの吐出配管２１には、冷媒の圧力を検出する圧力センサＰ１、冷媒の温度を検出する冷媒温度センサＴ１が設けられている。
【００２８】
放熱器２は、冷媒の熱を大気に放出するための熱交換器で、例えば、フィンアンドチューブ式の熱交換器を採用しうる。また、放熱器２は、冷媒と熱交換を行う空気を供給するためのファン１１を備える。尚、放熱器２内部での冷媒圧力が臨界圧力を超える場合、放熱器２はガスクーラとして作用する。即ち、放熱器２の冷媒流路内部で冷媒は凝縮せず、大気に対して放熱して冷却されるに従ってその温度が低下する。また、放熱器２の出口側配管２２には、膨張前温度検出器として冷媒温度センサＴ２、及び高圧圧力検出器としての圧力センサＰ２が設けられている。尚、高圧圧力検出器として圧力センサＰ１を用いることも可能である。
【００２９】
第１絞り手段としての膨張弁３は、放熱器２で大気に対して放熱し低温度となった冷媒を絞り膨張により減圧して、中間圧力にするためのものである。第１絞り手段としては、キャピラリーチューブ、温度式膨張弁、電動膨張弁等を採用しうる。本実施形態に係る冷凍装置では、電動膨張弁を用いている。そして、第１制御装置９０によって、後述する制御方法で膨張弁３の開度が制御されている。
【００３０】
レシーバタンク４は、膨張弁３で中間圧力まで減圧された気液二相状態の冷媒を気液分離、即ち蒸気冷媒（気相冷媒）と液冷媒（液相冷媒）に分離するためのものである。また、レシーバタンク４は、冷凍サイクル内を循環する冷媒量を適切に維持するため、余剰冷媒を貯留する冷媒レシーバとしても機能する。図２は、本実施形態に係るレシーバタンク４の断面図である。レシーバタンク４は、レシーバ容器４Ｔと、前記レシーバ容器４Ｔの上部に設けられた冷媒入口４ｄ及び蒸気冷媒出口４ｅと、レシーバ容器４Ｔの下部の冷媒を取り出す液冷媒出口４ｆを備えている。前記レシーバ容器４Ｔは、円筒状のレシーバ胴体４ａの一端部（上方端部）に上部鏡板４ｂを密封接合し、他端部（下方端部）に下部鏡板４ｃを密封接合することにより構成されている。また、レシーバタンク４の冷媒入口４ｄ及び蒸気冷媒出口４ｅには、気液分離を効率的に行うための液冷媒捕捉部材４ｇ及び４ｈが各々設けられている。前記液冷媒捕捉部材４ｇ及び４ｈとしては、金網、パンチングメタル、遮蔽板等が採用可能である。本実施形態では、金網を用いている。そして、金網を円筒状に丸め、下端部を潰して封止固着させたものを冷媒入口４ｄ及び蒸気冷媒出口４ｅとなる管のレシーバタンク４の内側端部に差し込み固定する構造としている。このような構造を採用することにより、加工が容易で、且つ高効率に気液分離を行うことができる。また、液冷媒捕捉部材４ｇは、冷媒入口４ｄから流入する冷媒が冷媒液面に衝突することによる液面の乱れを抑えることができ、気液分離性能を向上させるという効果を有する。
【００３１】
レシーバタンク４の蒸気冷媒出口４ｅには配管２９が接続され、配管２９は配管３１に接続されている。これによりレシーバタンク４内の気相冷媒を、圧縮機１の圧縮工程の中間圧力部に導入することが可能となる。また、レシーバタンク４の液冷媒出口４ｆには、レシーバタンク４内部の液冷媒を蒸発器６側へと流す冷媒往き配管２４が接続されている。
【００３２】
ここで、前記配管２９には、中圧圧力検出器としての圧力センサＰ３が設けられている。尚、膨張弁３と膨張弁５の間の配管、即ち配管２３、配管２４、配管２９、配管２８、配管３１は、何れも略同じ圧力（冷凍サイクルの中圧部圧力）となるので、圧力センサＰ３の設置については、これらの何れかの位置に設ければよい。
【００３３】
また、膨張弁３を通過した冷媒の状態は通常気液二相状態であるので、圧力センサＰ３に代えて、中圧温度検出器として冷媒温度センサ（図示せず）を設けることも可能である。これにより、中圧温度検出器で検出した冷媒温度から中間圧力部の圧力を求めることが可能となる。圧力センサＰ３に代えて冷媒温度センサを設置する方法では、冷媒配管の外部にセンサを設置できるので、センサの設置が容易であり、特に冷媒の漏れ等の不具合が発生しにくい点で有利である。
【００３４】
ストレーナ９は、冷媒回路中の異物を除去し、膨張弁５の詰まり等の不具合を防止するためのものであり、冷媒往き配管２４の膨張弁５上流側に設けられている。
【００３５】
第２絞り手段としての膨張弁５は、冷媒往き配管２４を通り流入する中圧低温の液冷媒を絞り膨張により減圧して、低圧低温の冷媒（通常気液二相状態）とするためのもので、キャピラリーチューブ、温度式膨張弁、電動膨張弁等を採用しうる。本実施形態に係る冷凍装置では、電動膨張弁を用いている。そして、第２制御装置９１により、蒸発器６の出口側冷媒の過熱度、即ち後述する冷媒温度センサＴ４（蒸発器出口温度検出器）で検出された蒸発器６出口の冷媒温度と後述する冷媒温度センサＴ３（蒸発温度検出器）で検出された蒸発器６入口の冷媒温度との差、が所定の値（目標温度差）になるように膨張弁５の開度が制御されている。尚、この目標温度差の情報は、第１制御装置９０で演算して決められた後、統合制御装置９２から第２制御装置９１に送られる。
【００３６】
蒸発器６は、冷媒の蒸発作用による吸熱により食品等を冷却するための熱交換器であり、フィンアンドチューブ式の熱交換器を採用している。蒸発器６の入口配管には、蒸発器６の入口の冷媒温度を検出する蒸発温度検出器としての冷媒温度センサＴ３が設けられており、蒸発器６の出口配管には、蒸発器６の出口の冷媒温度を検出する蒸発器出口温度検出器としての冷媒温度センサＴ４が設けられている。尚、冷媒温度センサＴ３は、蒸発器６を形成する配管部であって、冷媒の状態が気液二相状態であると想定される箇所に設けることも可能である。また、蒸発器６は、冷媒と熱交換を行い冷却される空気を供給するためのファン１２を備えている。蒸発器６において、ファン１２により供給された空気は、冷媒の蒸発により冷却されて低温となり、その後、食品等の保冷スペースに供給される。 
【００３７】
アキュームレータ８は、圧縮機１に液冷媒が吸入されることを防止するためのものであり、内部で気液分離を行い、一時的に液冷媒を貯留する機能を有する。特に、起動時や、除霜運転時等に機能を発揮する。また、アキュームレータ８から圧縮機の吸入口へつながる配管２７上には、圧縮機吸入冷媒の圧力を検出するための圧力センサＰ４が取り付けられている。
【００３８】
中間冷却器７は、圧縮機１の一段目圧縮要素１ａから吐出された冷媒と大気との間で熱交換を行い、冷媒を冷却するための熱交換器である。これにより圧縮機１の圧縮動力を低減し、冷却効率を向上させることができる。中間冷却器７は、フィンアンドチューブ式の熱交換器であり、冷媒と熱交換を行う空気を供給するためのファンは、放熱器２のファン１１を利用している。また、中間冷却器７は、放熱器２と冷却フィンを共有し、一体的に構成されている。
【００３９】
中間冷却器７の出口と圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂの吸入口をつなぐ配管３１には、合流前温度検出器としての冷媒温度センサＴ６と、吸入温度検出器としての冷媒温度センサＴ７が設けられている。冷媒温度センサＴ６は、合流点３０の上流側に設けられており、中間冷却器７で冷却され流出した冷媒であって、レシーバタンク４から流入する冷媒と合流する前の状態の温度を検出するものである。他方、冷媒温度センサＴ７は、合流点３０より下流側に設けられており、レシーバタンク４から流入する冷媒と合流した後の冷媒温度、即ち圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂに吸入される冷媒の温度を検出するものである。
【００４０】
また、必要に応じて、膨張弁５へと流れる中圧液冷媒と、蒸発器６から流出する低圧冷媒との間で熱交換を行い、中圧冷媒を冷却し低圧冷媒を加熱するための内部熱交換器（図示せず）を設けることも可能である。
【００４１】
次に、各冷凍機器を収納したユニットの構成について説明する。本実施形態に係る冷凍装置は、冷凍回路を構成する冷凍機器（要素部品）を収容してユニット化した冷凍ユニット１０及びショーケース２０（蒸発ユニット）から構成される。冷凍ユニット１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１、圧縮機１の一段目圧縮要素１ａから吐出された中間圧の冷媒を冷却する中間冷却器７、圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂから吐出された高温高圧の冷媒を冷却する放熱器２、第１絞り手段としての膨張弁３、膨張弁３で減圧された中間圧の冷媒の気液分離を行うレシーバタンク４、及び圧縮機１への液冷媒の吸入を防止するためのアキュームレータ８を備える。前述の通り、圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂの冷媒吐出配管２１は前記放熱器２に冷媒が流通可能に接続され、圧縮機１の冷媒吸入配管２７は前記アキュームレータ８に接続されている。また、冷凍ユニット１０は、第１制御装置９０、圧力センサＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、冷媒温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ６，Ｔ７、及びその他の図示しない温度センサや圧力センサ等を含む。そして、冷凍ユニット１０は、レシーバタンク４の液冷媒出口４ｆにつながる冷媒往き配管接続口と、アキュームレータ８につながる冷媒戻り配管接続口を備えている。
【００４２】
ショーケース２０は、中間圧力の冷媒を減圧する膨張弁５、冷媒の蒸発作用により食品等を冷却するための蒸発器６、及び冷媒回路中の異物を除去するストレーナ９を備える。また、ショーケース２０は、第２制御装置９１、冷媒温度センサＴ３、Ｔ４、及びその他の温度センサ類、並びに食品等を保存するためのスペースや展示棚等を備えている。そして、ショーケース２０は、ストレーナ９につながる冷媒入口配管接続口と、蒸発器６の出口側に接続される冷媒出口配管接続口を備えている。尚、ショーケース２０は、必ずしも被冷却物を陳列展示するものに限らず、展示を目的としない保冷庫でも良い。
【００４３】
ここで、冷媒往き配管２４は、冷凍ユニット１０の前記冷媒往き配管接続口とショーケース２０の前記冷媒入口配管接続口とを配管により接続することにより形成される。また、冷媒戻り配管２６は、冷凍ユニット１０の前記冷媒戻り配管接続口とショーケース２０の前記冷媒出口配管接続口を配管により接続することにより形成される。尚、ショーケース２０は、必要に応じて複数台設けることが可能である。その場合、各々のショーケース２０の前記冷媒入口配管接続口が冷媒往き配管２４側に接続され、前記冷媒出口配管接続口が冷媒戻り配管２６側に接続される。
【００４４】
次に、第１の実施形態に係る冷凍装置の動作について説明する。
【００４５】
図３は、本発明に係る冷凍装置の冷凍サイクルを示す圧力−比エンタルピ線図である。横軸は冷媒の比エンタルピ（ｋＪ／ｋｇ）、縦軸は冷媒の圧力（ＭＰａ）であり、符号ＳＬは冷媒の飽和液線、ＳＶは飽和蒸気線を示している。本図において、符号Ｃが本実施形態の冷凍サイクルである。
【００４６】
本冷凍サイクル回路では、図３において状態ａで示される低温の冷媒蒸気が圧縮機１の一段目吸入口から吸入され、一段目圧縮要素１ａにより圧縮され、高温中圧の冷媒蒸気となって吐出される。この状態での冷媒は、図３において状態ｂで示される。この冷媒は、中間冷却器７に入り、そこで大気と熱交換を行い冷却され、温度が低下して状態ｃになる。このように中間冷却器７によって、圧縮機１の一段目圧縮要素１ａから吐出される冷媒が冷却されるので、圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂから吐出される冷媒の温度を低く抑えることが可能となり、圧縮機１の異常高温による不具合を防止できる。また、中間冷却器７を採用することにより、圧縮機１の圧縮動力を低減することができるので、冷却効率を向上させることができる。
【００４７】
中間冷却器７を出た状態ｃで示される冷媒は、図１に示す合流点３０において、バイパス経路側（配管２９側）から流れてきた状態ｊで示される低温の冷媒と合流する。合流後の冷媒は、状態ｄで示される。前記合流後の冷媒は、圧縮機１の二段目吸入口から吸入され、圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂにより圧縮され、高温高圧の冷媒（状態ｅ）となって吐出される。本実施形態では冷凍サイクルの冷媒として二酸化炭素を用いているので、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力は、図３の状態ｅのごとく、臨界圧力を超える場合がある。
【００４８】
圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２に流入し、大気と熱交換を行い冷却される。図３で示されるように、放熱器２における冷媒の圧力が臨界圧力を超えている場合には、そこで冷却された冷媒は、凝縮せずに、冷却されるに従ってその温度が低下する。放熱器２によって冷却された冷媒は、状態ｆで示される。
【００４９】
放熱器２を出た冷媒は、膨張弁３を通過することによって絞り膨張（等エンタルピ膨張）して、圧縮機１の一段目吸入圧力より高く二段目吐出圧力より低い中間圧力まで減圧され、図３の状態ｇで示されるように気液二相状態となり、レシーバタンク４に入る。レシーバタンク４において、冷媒は、状態ｊで示される蒸気冷媒と、状態ｈで示される液冷媒に分離され、密度差により、蒸気冷媒はレシーバ容器４Ｔ内の上方に、液冷媒はレシーバ容器４Ｔ内の下方に流れる。
【００５０】
ここで、レシーバタンク４の冷媒入口４ｄには液冷媒捕捉部材４ｇが設けられているので、ミスト状の液冷媒が前記液冷媒捕捉部材４ｇに衝突付着し、効率的に気液分離を行うことが可能となる。また、前記液冷媒捕捉部材４ｇは、冷媒入口４ｄから流入する冷媒がレシーバ容器４Ｔ下方に貯留されている冷媒の液面に衝突することによる液面の乱れを抑えることができるので、分離された液冷媒が流入する冷媒により再ミスト化することを防止することができ、レシーバタンク４による気液分離性能を更に向上させることができる。また、レシーバタンク４の蒸気冷媒出口４ｅには液冷媒捕捉部材４ｈが設けられているので、レシーバタンク４から流出する蒸気冷媒に含まれるミスト状の液冷媒を液冷媒捕捉部材４ｈで捕捉分離することができる。よって、レシーバタンク４の気液分離性能を更に向上させることができる。
【００５１】
レシーバタンク４で気液分離された状態ｈの液冷媒は、液冷媒出口４ｆから流出し、配管２４を流れ冷却負荷側（蒸発器６側）へと流れていく。レシーバタンク４から流出する液冷媒（状態ｈ）の比エンタルピは、レシーバタンク４に流入する冷媒（状態ｇ）の比エンタルピより小さくなるので、状態ｇと状態ｈの比エンタルピ差に相当する分、蒸発器６における冷媒の冷凍効果が増大する。
【００５２】
他方、レシーバタンク４で気液分離された状態ｊの蒸気冷媒は、蒸気冷媒出口４ｅから配管２９を流通し、前述の通り中間冷却器７で冷却された後の状態ｃの冷媒と合流点３０において合流して、状態ｄになる。そして、圧縮機１の二段目吸入口から吸入される。レシーバタンク４で気液分離された蒸気冷媒（状態ｊ）は、比エンタルピが大きく、たとえ蒸発器６へ流入したとしても冷凍効果を発揮し得ないものである。そのため、当該状態ｊの蒸気冷媒を圧縮行程の途中、即ち二段圧縮の二段目吸入部、に戻すことにより、当該冷媒を一段目吸入部へ戻す場合に比べ、一段目圧縮要素１ａの圧縮動力を低減することができる。その結果、冷凍サイクルの冷凍効率を向上させることができる。
【００５３】
レシーバタンク４の液冷媒出口４ｆから流出した液冷媒（状態ｈ）は、配管２４を流れ、ストレーナ９を通過した後、膨張弁５により絞り膨張（等エンタルピ膨張）し、蒸発器６へと流れる。蒸発器６に流入する冷媒は、状態ｉで表わされ、低圧の気液二相状態である。蒸発器６において、冷媒は、ファン１２によって供給された被冷却空気と熱交換を行い、空気を冷やし、液相部分が蒸発する。蒸発器６の出口において、冷媒は僅かに過熱した蒸気であり、状態ａで表わされる。蒸発器６への冷媒の供給は、第２制御装置９１によって、膨張弁５の開度を制御することにより調整されており、前述のごとく、蒸発器６の出口において所定の過熱状態、即ち蒸発器出入口温度差が目標温度差となるように制御されている。
【００５４】
蒸発器６から流れ出た冷媒は、冷媒戻り管２６を流通し、アキュームレータ８を通過し、そこで確実に気液分離された後、圧縮機１の一段目吸入口へと流れ、圧縮される。以上説明の通り冷凍サイクルが連続的に動作し、蒸発器６において冷凍能力が発揮される。そして、蒸発器６で冷却された空気が保冷スペースを循環し、食品等被冷却物の冷凍、冷蔵が行われる。
【００５５】
尚、内部熱交換器（図示せず）を設けた場合には、該内部熱交換器において、レシーバタンク４から流出した中圧低温の液冷媒は、蒸発器６を出た低圧低温の冷媒と熱交換を行い冷却される。この場合は、内部熱交換器により、中圧冷媒が冷やされるので冷媒往き配管２４内部でのフラッシュガス発生を防止し、低圧冷媒が過熱されるので圧縮機１の湿り圧縮を防止する効果がある。また、内部熱交換器の採用により、蒸発器６の内部に熱伝達率が高い二相冷媒領域を多く確保できるので、蒸発器６の伝熱性能が向上し、サイクル性能を向上させることができる。
【００５６】
図４は、本実施形態に係る冷凍装置の制御装置を示すブロック図である。本実施形態の制御装置は、冷凍ユニット１０に備えられた第１制御装置９０と、各ショーケース２０に内蔵されている第２制御装置９１と、統合制御装置９２とから構成される。
【００５７】
第１制御装置９０は、膨張弁３（第１膨張弁、第１絞り手段）や圧縮機１やファン１１等、基本的には、冷凍ユニット１０に備えられた操作手段を制御するためのものである。そして、第１制御装置９０は、各センサ類からの入力や設定入力手段９５からの入力信号を処理する入力信号処理部９０ａと、制御演算を行う主演算処理部９０ｂと、演算結果を操作信号に変換して各制御操作手段に出力する操作信号出力部９０ｃと、統合制御装置９２や第１制御装置９０との通信を行うための通信処理部９０ｄとを備える。
【００５８】
第２制御装置９１は、膨張弁５（第２膨張弁、第２絞り手段）やファン１２等、基本的には、ショーケース２０に備えられた操作手段を制御するためのものである。図示を省略するが、ショーケース２０の第２制御装置９１についても第１制御装置９０と同様の処理部を備えた構成からなる。
【００５９】
そして、統合制御装置９２は、冷凍ユニット１０の第１制御装置９０及びショーケース２０の第２制御装置９１と双方向に通信を行い、各センサ類による検出値や制御変数、制御指令等の情報を交換し、冷凍装置全体を統括的に制御するものである。統合制御装置９２を備えることにより、通常離れた場所に設置される冷凍ユニット１０とショーケース２０とから構成される冷凍装置について、外気条件や負荷条件の変動に対応した適切な運転制御を行うことが可能となる。
尚、本実施の形態では、第１制御装置９０と統合制御装置９２とを別個の手段として説明したが、それらの機能をひとつにまとめた制御装置としても本発明の目的・効果を達成できることはいうまでもない。
【００６０】
また、第１制御装置９０、第２制御装置９１及び統合制御装置９２は、制御設定データや運転指令を入力するための設定入力手段９５、９６、９７や、制御データを表示するための表示器（図示せず）を備えている。更に、統合制御装置９２は、店舗の外から運転データを監視し、制御設定データを送受信するための遠隔通信機能も備えている。
【００６１】
次に、第１制御装置９０について、制御信号の流れを説明する。各センサ類で検出された入力信号は、先ず入力信号処理部９０ａで所定の検出値（制御変数）に変換される。そして、主演算処理部９０ｂにおいて、後述の制御方法により、制御動作が演算により決定される。そして、その演算結果が操作信号出力部９０ｃによって、膨張弁３や圧縮機１、ファン１１等の各操作手段に適合する信号に変換され出力される。その操作信号に基づき、各操作手段が作動し、冷凍装置の適切な運転制御が行われる。
【００６２】
次に、具体的に、本実施形態の基本的な制御を説明する。冷凍サイクルを冷却運転中の圧縮機１の運転は、冷凍ユニット１０に内蔵された第１制御装置９０により制御されている。具体的には、冷媒吸入配管２７に設けられた圧力センサＰ４により検出された低圧冷媒の圧力が所定の圧力範囲になるように圧縮機１の回転数制御及び発停制御を行っている。ショーケース２０に設けられた第２制御装置９１との通信によって被冷却空間の保冷設定温度を読み取り、好適な冷凍サイクルとなるように、前記所定の圧力範囲を定めている。これにより、冷却負荷に対応した高効率な冷却が行われる。
【００６３】
第１絞り手段としての膨張弁３の開度は、配管２９に取り付けられた圧力センサＰ３で検出された中間圧力が所定の値になるように、第１制御装置９０によって制御される。即ち、第１制御装置９０は、中間圧力が所定の目標値より高ければ膨張弁３の開度を小さくし、中間圧力が所定の値より低ければ膨張弁３の開度を大きくする制御を行う。ここで、所定の目標値は、圧力センサＰ４で検出される低圧圧力と圧力センサＰ１若しくはＰ２で検出される高圧圧力の相乗平均に所定の係数を乗じて求めている。これにより冷凍サイクルの中間圧力を適切に制御できるので、圧縮機１の一段目圧縮要素１ａと二段目圧縮要素１ｂの圧縮比率が好適に維持されると共に、蒸発器６側へと流れる冷媒及びバイパス経路を流れる冷媒の比エンタルピ及び流量が適切に維持され、高効率な冷却運転を行うことができる。
【００６４】
また、圧力センサＰ１若しくはＰ２で検出される高圧圧力が所定の値になるように、第１絞り手段としての膨張弁３の開度を制御することも可能である。即ち、制御手段９０は、高圧圧力が所定の目標値より高ければ膨張弁３の開度を大きくし、高圧圧力が所定の目標値より低ければ膨張弁３の開度を小さくする制御を行う。所定の目標値は、膨張弁３に流入する冷媒の温度、即ち冷媒温度センサＴ２によって検出される冷媒の温度、に応じて求めている。高圧側の圧力が臨界圧力を超える冷凍サイクルにおいては、高圧側の圧力を変えると、圧縮機１の圧縮動力が変化すると共に、膨張弁３に流入する冷媒（図３の状態ｆ）のエンタルピが大きく変化して冷凍効果が大きく変化する。そのため、膨張弁３に流入する冷媒の温度に応じて所定の高圧圧力目標値を設定し制御することにより、冷凍装置の効率を向上させることができる。尚、膨張弁３に流入する冷媒の温度、即ち放熱器２で外気に対して放熱した後の冷媒の温度、は外気温度に依存するため、前記高圧圧力の目標値の演算においては、前述の膨張弁３に流入する冷媒の温度に代えて、外気温度を基準とすることも可能である。
【００６５】
また、第１絞り手段としての膨張弁３の制御として、前述の中間圧力制御と高圧圧力制御を組み合わせて行うことも可能である。即ち、圧力センサＰ３で検出される中間圧力と圧力センサＰ１若しくはＰ２で検出される高圧圧力が共に各々の目標値（目標範囲）となるように制御を行うこともできる。これにより外気温度や負荷の変動に対して更に安定的に高効率な運転を行うことが可能となる。
【００６６】
第２絞り手段としての膨張弁５は、蒸発器６の出口側冷媒の過熱度、即ち冷媒温度センサＴ４（蒸発器出口温度検出器）で検出された蒸発器６出口の冷媒温度と冷媒温度センサＴ３（蒸発温度検出器）で検出された蒸発器６入口の冷媒温度との差、が所定の値（目標温度差）になるように、第２制御装置９１によって制御される。具体的には、第２制御装置９１は、前記過熱度が所定の目標値より大きければ膨張弁５の開度を大きくし、前記過熱度が目標値より小さければ膨張弁５の開度を小さくする制御を行う。これにより蒸発器６に、冷却負荷に応じた適切な量の冷媒を供給することができ、蒸発器６における効率的な熱交換を維持しながら所定の冷却能力を発揮することができる。
【００６７】
ところで、以上説明の基本的な制御を行う場合、理想的には、レシーバタンク４で完全に気液分離され、膨張弁５へと流れる冷媒は液冷媒のみであり、バイパス経路側（配管２９側）へと流れる冷媒は蒸気冷媒のみであることが望ましい。そのため、前述のように、レシーバタンク４は、気液分離を促進するため、液冷媒捕捉部材４ｇ及び４ｈを設ける等の工夫をしている。しかしながら実機においては、レシーバ容器４Ｔ内の冷媒は、液相冷媒と気相冷媒が泡状に混ざり合った状態であったり、気相冷媒中に霧状の液冷媒が多数存在する状態であるので、気相冷媒と液相冷媒を完全に分離することは困難である。レシーバタンク４のサイズを非常に大きなものとすれば、このような問題も低減されるが、実際には大きさが制限される。そのため、負荷の状態によっては、低圧側へと流れる液冷媒に蒸気冷媒が混入したり、中圧側へと流れる蒸気冷媒に液冷媒が混入する場合がある。特に高外気温度条件において、冷却負荷も大きい場合には、冷凍サイクルの高圧側と低圧側の冷媒量を多くする必要があり、レシーバタンク４内部の冷媒量が減少するので、気液分離が不完全となり液冷媒への蒸気混入が発生しやすい状態となる。
【００６８】
このように気液分離が不完全で、低圧側へと流れる冷媒に気相冷媒が混入した状態の冷凍サイクルを示したものが、図５の冷凍サイクルＣ２である。また、図６は、理想的な冷凍サイクルＣ１（実線）と、気液分離が不完全な冷凍サイクルＣ２（破線）を重ねてプロットしたものである。図５及び図６において、図３と同様に、横軸は冷媒の比エンタルピ（ｋＪ／ｋｇ）、縦軸は冷媒の圧力（ＭＰａ）であり、符号ＳＬは冷媒の飽和液線、ＳＶは飽和蒸気線を示している。また、図３に示した冷凍サイクルＣと同一の箇所についての状態を示す符号には同一のアルファベットを付している。
【００６９】
図５及び図６に示す通り、状態ｈ２で示される冷凍サイクルＣ２におけるレシーバタンク４出口の冷媒は、気相冷媒が混入しているので、飽和液線ＳＬ上になく、飽和液に比べて比エンタルピが大きい。この状態ｈ２で示される冷媒が膨張弁３で減圧され、状態ｉ２となり、蒸発器６へと流れるので、蒸発器６入口での冷媒の比エンタルピも、理想的な冷凍サイクルＣ１における状態ｉ１に比べて大きくなる。そして、冷凍効果（状態ａ２と状態ｉ２の比エンタルピ差）は、冷凍サイクルＣ１に比べて小さくなる。また、低圧側の冷媒流量ｑＬ２は冷凍サイクルＣ１よりも大きくなるので、蒸発器６での圧力損失が増大し、圧縮機１の一段目圧縮要素１ａでの冷媒圧縮仕事が増大する。その結果、冷凍装置の冷凍効率が著しく低下してしまう。
【００７０】
そこで、本実施形態に係る冷凍装置では、第１の絞り手段である膨張弁３の制御として、前述の中間圧力制御や高圧圧力制御に代えて、又はそれらの制御に組み合わせて、以下に詳述する制御を行っている。
【００７１】
図７は、本実施形態に係る冷凍装置の膨張弁３の制御フローを示す図である。冷凍運転中、第１制御装置９０は、各センサによって、冷凍回路各部の温度と圧力を検出する（ステップＳ１）。次に、第１制御装置９０は、主演算処理部９０ｂにおいて、冷媒温度センサＴ２によって検出された膨張弁３に流入する冷媒の温度Ｔｆと、圧力センサＰ２によって検出された高圧圧力ＰＨより、膨張弁３に流入する冷媒（状態ｆ）の比エンタルピｈｆを算出する（ステップＳ２）。尚、比エンタルピの演算方法としては、運転範囲を想定して予め作成された近似式による方法や、所定の幅で数値を区分けして作成したデータテーブルをメモリに保存しておき該テーブルから該当する値を検索して読み込む方法など、種々の方法が考えられる。
【００７２】
次に、上記のように求めた比エンタルピｈｆと、圧力センサＰ３によって検出された中圧圧力ＰＭから、第１制御変数Ｘとして、レシーバタンク４に流入する冷媒（状態ｇ２）における気相冷媒と液相冷媒の和である全体量に対する気相冷媒の質量比率、即ち乾き度ｘを算出する（ステップＳ３）。
【００７３】
次に、冷媒温度センサＴ６で検出された冷媒の温度Ｔｃと、中圧圧力ＰＭより、中間冷却器７で冷却された後であって、レシーバタンク４からの冷媒と合流する前の冷媒（状態ｃ）の比エンタルピｈｃを算出する（ステップＳ４）。また、中圧圧力ＰＭより、レシーバタンク４からバイパス経路へと流れ出る蒸気冷媒（状態ｊ）の比エンタルピｈｊ（飽和蒸気の比エンタルピ）を求める（ステップＳ５）。更に、冷媒温度センサＴ７で検出された冷媒の温度Ｔｄと、中圧圧力ＰＭとから、合流後、即ち圧縮機１の二段目圧縮要素１ｂに吸入される冷媒（状態ｄ）の比エンタルピｈｄを求める（ステップＳ６）。
【００７４】
そして、上記のように求められた各点における冷媒の比エンタルピｈｃ、ｈｊ、ｈｄを基に、冷媒合流前後のエンタルピバランスより、第２制御変数Yとして、放熱器２を流れる冷媒量ｑＨに対するバイパス経路を流れる冷媒量ｑＭの質量比率を算出する（ステップＳ７）。即ち、第２制御変数Y＝ｑＭ／ｑＨ＝（ｈｃ−ｈｄ）／（ｈｃ−ｈｊ）となる。
【００７５】
次に、レシーバタンク４に流入する冷媒の乾き度ｘ（第１制御変数X）と、バイパス経路を流れる冷媒の質量流量比率ｑＭ／ｑＨ（第２制御変数Y）を比較し（ステップ８）、乾き度ｘが質量流量比ｑＭ／ｑＨより大きい場合は、膨張弁３の開度を大きくする（ステップＳ９）。これにより膨張弁３と膨張弁５の開度比率が変化するため、レシーバタンク４に十分な冷媒が供給され、中圧圧力ＰＭが僅かに上昇し、レシーバタンク４から膨張弁５へと流れる冷媒に混入する気相冷媒が減少する。即ち、膨張弁５へと流れる冷媒の状態は、図６において、蒸気冷媒が混入した状態ｈ２から、飽和液冷媒のみとなる状態ｈ１へと近づく。その結果、蒸発器６における冷凍効果が増大し、低圧側の冷媒流量ｑＬが減少するので、冷凍サイクルの冷凍効率を向上させることができる。
【００７６】
他方、レシーバタンク４に流入する冷媒の乾き度ｘ（第１制御変数X）と、バイパス経路を流れる冷媒の質量流量比率ｑＭ／ｑＨ（第２制御変数Y）を比較し（ステップ１０）、乾き度ｘが質量流量比ｑＭ／ｑＨより小さい場合は、レシーバタンク４で気液分離された蒸気冷媒に液冷媒が混入してバイパス経路側に流れていると判断できる。低外気温度条件において、冷却負荷も小さくなり冷却運転を行う蒸発器６の数が減少すると、冷凍サイクル高圧側と低圧側の冷媒量を少なくする必要があり、その結果、レシーバタンク４内の冷媒量が多くなるので、このように蒸気冷媒に液冷媒が混入しやすくなる。そこで、この場合、第１制御装置９０は、膨張弁３の開度を小さくする制御を行う（ステップＳ１１）。これにより中圧圧力ＰＭが僅かに下降し、レシーバタンク４内の冷媒量が減少し、バイパス経路側への液冷媒の混入を減少させることができる。
【００７７】
尚、前述のステップ８とステップ１０における乾き度ｘと質量流量比ｑＭ／ｑＨの比較においては、制御動作を安定させるため、所定の制御範囲（許容幅、不感帯）を設けることもできる。図７において、符号ｋａ及びｋｂは、所定の制御範囲を示す係数である。このように所定の幅を持たせることにより、前述の中間圧力制御と高圧圧力制御を基本としつつ、乾き度ｘと質量流量比ｑＭ／ｑＨとの差が所定の範囲を超えて大きくなった場合にのみ、本制御動作を組み合わせることも可能である。
【００７８】
また、ステップ９において、膨張弁３の開度を大きくする動作に加えて、又は代えて、膨張弁５の開度制御における目標温度差（目標過熱度）を大きくする制御を行うこともできる。具体的には、冷凍ユニット１０の第１制御装置９０は、主演算処理部９０ｂで前記の演算処理を行い、通信処理部９０ｄ、統合制御装置９２を介して、ショーケース２０の第２制御装置９１と通信を行って、第２制御装置９１へ目標温度差を大きくする指令を送る。ショーケース２０の第２制御装置９１は、第１制御装置９０からの信号に基づいて、目標温度差を変更して膨張弁５の制御を行う。これにより、膨張弁５の開度は、小さくなる方向に制御されることになり、蒸発器６内部の冷媒量が減少する。その結果、レシーバタンク４内部の冷媒量が増加するので、レシーバタンク４における気液分離効率が改善され、レシーバタンク４から膨張弁５へと流れる液冷媒への蒸気冷媒混入が抑えられる。
【００７９】
以上説明のごとく、本発明の冷凍装置によれば、外気条件や冷却負荷条件の変動によりレシーバタンク４における気液分離が不十分となった場合においても、その状態を検知し、理想的な気液分離状態に近づけることができるので、安定的に、高効率な冷却運転を維持することができる。
【００８０】
尚、上述の実施形態は、本発明の一具体例を示したものであり、従って本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の冷凍装置は、スーパーマーケット、コンビニエンスストア及び飲食店等において、食品等を冷凍、冷蔵するための冷凍装置として、また、冷却を必要とする他の用途においても利用することが可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１・・・圧縮機
１ａ・・・一段目圧縮要素（第１圧縮手段）
１ｂ・・・二段目圧縮要素（第２圧縮手段）
２・・・放熱器
３・・・膨張弁（第１絞り手段）
４・・・レシーバタンク
５・・・膨張弁（第２絞り手段）
６・・・蒸発器
７・・・中間冷却器
８・・・アキュームレータ
９・・・ストレーナ
１０・・・冷凍ユニット
１１・・・ファン
１２・・・ファン
２０・・・ショーケース（蒸発ユニット）
２９、３１・・・冷媒配管（バイパス経路）
３０・・・合流点
９０・・・第１制御装置
９１・・・第２制御装置
９２・・・統合制御装置
Ｐ２・・・圧力センサ（高圧圧力検出器）
Ｐ３・・・圧力センサ（中圧圧力検出器）又は冷媒温度センサ（中圧温度検出器）
Ｔ２・・・冷媒温度センサ（膨張前温度検出器）
Ｔ３・・・冷媒温度センサ（蒸発温度検出器）
Ｔ４・・・冷媒温度センサ（蒸発器出口温度検出器）
Ｔ６・・・冷媒温度センサ（合流前温度検出器）
Ｔ７・・・冷媒温度センサ（吸入温度検出器）
Ｘ・・・乾き度ｘ（第１制御変数）
Ｙ・・・冷媒質量流量比（第２制御変数）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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